具有方波输出的快速倍频器

发布时间:2023-08-23  

为了扩展工作频率范围,我需要从一个非常快速的单触发电路开始。由于无法购买合适的设备,我设计了一个类似于无处不在的 555 计时器的设备,但具有更快的组件。快速异或门、快速比较器、快速触发器和快速放电晶体管是性的主要组件。该性电路的工作频率高达 50 MHz(甚至可能更高)。

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因此,我开始思考和研究扩展近发布的方波电路的频率范围的可能方法。
为了扩展工作频率范围,我需要从一个非常快速的单触发电路开始。由于无法购买合适的设备,我设计了一个类似于无处不在的 555 计时器的设备,但具有更快的组件。快速异或门、快速比较器、快速触发器和快速放电晶体管是性的主要组件。该性电路的工作频率高达 50 MHz(甚至可能更高)。
我使用的比较器是德州仪器 (TI) 的 TLV3501,以轨到轨(输入和输出)运行,驱动 17 pF 时的典型传播延迟为 4.5 ns(值 6.4 ns)。
它是我的电路中使用的昂贵的组件(每 1000 个数量为 1.62 美元),但它速度快、价格合理且容易获得。其他组件价格便宜、速度快且广泛应用于电子行业。(MMBT2369 是 2N2369 的表面贴装版本,其历史可以追溯到 20 世纪 60 年代初期,但速度相当快且价格便宜。)
当驱动几皮法电容时,74LVC1Gxx 部件的传播延迟时间约为 1 ns,并且它们可以在 5 V 电源电压下运行(这是我的偏好)。我使用了 TLV9052 双运算放大器,它具有无限的输入阻抗(好吧,几乎),并且可以轨到轨、输入和输出运行。74LVC1G86 XOR 门很方便,因为它可以用作反相器或缓冲器,我使用了其中的几个。
电路工作的简单描述:负反馈强制超快单触发产生 50% 占空比方波输出。为了方便测试,我在输入端添加了一个 50 欧姆终端和一个缓冲器/方波器,在输出端添加了一个 50 欧姆驱动器。
详细描述(图 1): 50% 占空比方波是异或门 U3(通过 U7)的输入,导致 U5 的 2 ns 脉冲输出应用于翻转的 /S 输入-翻牌,U2。触发器的 /Q 输出变低并关闭放电晶体管 Q3,从而允许定时电容器 C4 开始充电。Q3 的输出是一个斜坡电压,通过 R1 施加到比较器 U1 的反相输入端。当电压斜坡达到 R4 和 R5 设置的参考电压时,比较器的输出变低。这会重置触发器,导致放电晶体管导通并对定时电容器 C4 放电,然后重复该循环。

具有方波输出的快速倍频器


图 1超快单触发电路通过负反馈强制产生 50% 占空比方波输出。

C4 的充电电流由 Q1 和相关组件提供。充电电流由运放 U6A 的负反馈控制,这迫使单触发产生占空比为 50% 的方波,该方波经过低通滤波后,会产生正好 2.5 V 的直流电压(如果电源电压正好是5V)。R18 和 R19 的容差将决定该电压的程度。
U6B 及其相关组件提供的参考电压通过精密(或匹配)电阻器 R18 和 R19 设置为 2.5 V。该基准将跟踪 +5 V 电源,以便在电源电压发生变化时,电路的 50% 占空比方波输出保持在 50%。(触发器的轻负载输出也会跟踪电源电压的变化。)
模拟、实施、测试和结果
我使用LTspice来设计和仿真电路。然后我使用 Express PCB 的工具设计并布局了双面电路板,底部有接地层。我使用 AppCad(可在网络上获取)来模拟关键迹线上的信号过冲/下冲。我将电阻器与一些较长的走线串联插入,以获得快速信号,以减少过冲/下冲。除了 Q1、Q2、输入和输出 SMA 连接器以及连接器 P1 和 P3 之外,我对所有组件都使用了表面贴装器件。(未使用 P2。)标记为 T1 到 T12 的点是测试点(PCB 上的镀通孔)。加载后的电路板如图2所示。

具有方波输出的快速倍频器


图2已加载的双面电路板,底部有接地层,标记为T1 至T12 的点为测试点。

当我用其他值的 C4 进行测试时,C4 的 10 pF 电容器留在电路中。其他值焊接在 PCB 上,但连接到安装在 PCB 上的 0.100 英寸中心连接器,因此我可以使用滑动短路片单独选择它们。这就是为什么 C4 的所有其他值都有一个额外的 10 pF 用于频率范围测试。
LTspice 和 AppCad 仿真很好地预测了电路性能。表 1显示了性能范围与 C4 的几个值的关系。

具有方波输出的快速倍频器


表1不同C4值的性能范围。

该电路将的工作频率范围扩展至36 MHz,是原电路频率上限的10倍以上。

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